JP3894652B2

JP3894652B2 - 静電チャック

Info

Publication number: JP3894652B2
Application number: JP08638698A
Authority: JP
Inventors: 比呂史会田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-03-31
Filing date: 1998-03-31
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2018-03-31
Also published as: JPH11284058A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置等においてウエハを静電的に吸着保持して処理したり、搬送するための静電チャックに関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来より、半導体製造用装置において、シリコンウエハに対して成膜を行ったり、エッチングを施す場合には、シリコンウエハを平坦に保持することが必要である。このような保持手段としては、機械式、真空吸着式、静電吸着式が提案されている。
【０００３】
これらの保持手段の中で静電的にシリコンウエハを保持することのできる静電チャックは、シリコンウエハの加工を行うに際して要求される加工面の平坦度や平向度を容易に実現することができ、さらにシリコンウエハを真空中で加工処理することができるため、半導体の製造に際して最も多用されている。
【０００４】
従来の静電チャックは、電極板の上にアルミナ、サファイヤ等からなる絶縁層を形成したもの（特開昭６０−２６１３７７号）、絶縁基板の上に電極層を形成しその上に絶縁層を形成したもの（特開平４−３４９５３号）、絶縁基板内部に電極層を組み込んだもの（特開昭６２−９４９５３号）等が提案されている。
【０００５】
近年、半導体素子の集積回路の集積度が向上するに従い、静電チャックの高精度化とともに、耐食性、耐摩耗性、耐熱衝撃性に優れたセラミックス製静電チャックが要求されている。特に、窒化アルミニウムは他のセラミックス材料に比べて耐プラズマ性に優れていることから、これを用いた静電吸着面を窒化アルミニウムセラミックスからなる静電チャックが検討されている。
【０００６】
一般に、絶縁体の体積固有抵抗値は温度が上昇するに伴い低下する。例えば窒化アルミニウムの場合には室温では１０¹⁶Ω・ｃｍから３００℃で１０¹¹Ω・ｃｍ以下に減少するため、２５０℃の雰囲気で使用すると残留吸着などの問題が発生して安定した動作を得るのは困難であり、使用温度範囲に制限があった。特に、需要が多い１５０℃以下の使用温度では抵抗が１０¹⁶Ω・ｃｍ以上であるために大きな吸着力が得られないという問題があった。
【０００７】
これに対して、１５０℃以下の温度でも安定して静電チャックを使用するために、特開平２−１６０４４４号には、絶縁層を２層以上積層するとともにそれぞれの層に対応する電極層及び電気回路、スイッチングを設けて、室温から４００℃までの広い温度領域の使用に耐えられるような構造が提案されている。また、特開平４−３００１３７号には、静電チャック内にヒータ、熱電対などの温度検出器を取付け、外部に制御部を設けて温度変化にともなって電源部を制御して吸着力を安定させ、使用温度範囲を広げることも提案されている。さらに、特開平５−３１５４３５号は、誘電体層を複数の抵抗率の異なる材質で形成し、使用温度によって電圧印加の切り替えを行う方法を提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
静電チャックの静電吸着面を形成する誘電性絶縁体として、主として用いられている窒化アルミニウムやアルミナなどのセラミック系誘電性絶縁体では、低温から高温まで安定した吸着力を得るには至っておらず、上述のように静電チャックの構造を変えたり、電気的な制御により使用できる温度範囲を広げようとしてきた。
【０００９】
しかし、前述したような絶縁層を２層以上積層して電極層を増やしたものや複数の抵抗率の異なる材質を誘電体層として用いた場合、電気回路も複雑となり、静電チャック自体の構造が複雑になるために製造工程が煩雑であり、そのために製品の信頼性が低下したり、コストが高くなるといった欠点があった。
【００１０】
また、ヒータを内蔵してその温度を検知し、印加電圧を制御する方法においても静電チャック内に熱電対などの温度検知器を内蔵するために検知器が故障すると使用不可能になるという問題があり、またこの方法においてもセラミック材料の持つ特性は本質的に変化しないことから、その使用範囲には自ずと限界があることには変わりがない。
【００１１】
従って、本発明は、簡易な構造を有しながらも、０〜１００℃の温度範囲で優れた吸着特性を有する静電チャックを提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記問題点に対して静電チャックの表面を形成するセラミック抵抗体について特に静電チャックを構成する材料の観点から検討を重ねた結果、ＢａＴｉＯ₃結晶を主成分とするセラミックスを使用し、そのセラミックス中にＳｒを所定量含有せしめ、ＢａサイトをＳｒで置換し、半導体化することにより体積固有抵抗の変化を小さく抑えることができ、その結果として０〜１００℃の温度範囲でも安定した吸着力が得られることを見いだし、本発明に至った。
【００１３】
即ち、本発明の静電チャックは、静電吸着面が、Ｂａ、ＳｒおよびＴｉを含有するペロブスカイト型結晶相を主体とするＰＴＣセラミックスからなり、該ＰＴＣセラミックス中におけるＳｒ／（Ｂａ＋Ｓｒ）原子比が０．３〜０．８であり、且つ且つ０〜１００℃の体積固有抵抗が１０^７〜１０^１２Ω・ｃｍであることを特徴とするものであり、さらに、前記ＰＴＣセラミックスが、周期律表第３ａ族元素あるいはＡｌを酸化物換算で１０重量％以下の割合で含有すること、および厚み０．５ｍｍの前記ＰＴＣセラミックスに５００Ｖの電圧を印加して１３８ｇ／ｃｍ ^２以上の吸着力が発生し得ることを特徴とするものである。
【００１４】
【作用】
静電チャックにおける静電吸着面において、優れた静電吸着特性を発揮する上では、静電吸着面の体積固有抵抗が１０⁷〜１０¹²Ω・ｃｍの範囲にあることが必要である。
【００１５】
従来より、ＢａＴｉＯ₃は誘電体として広く用いられており、室温では約１００Ω・ｃｍの抵抗を有する。これに、Ｓｒを添加してＢａのサイトに置換することによって、ＰＴＣ（正特性サーミスタ）になることが知られている。そして、ＳｒとＢａとの比率を調整することにより、０〜１００℃、特に−５０℃から１５０℃の広い範囲で体積固有抵抗を１０⁷〜１０¹²Ω・ｃｍの範囲に制御できる。
【００１６】
本発明によれば、上記のような（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃系誘電体材料により静電吸着面を形成することにより、格別に複雑な構造をとる必要がなく、広い温度範囲で優れた吸着特性を発揮することができる。
【００１７】
これにより、静電チャック自体の構造や電気回路が簡単で、低コストで広範囲な温度領域で優れた静電吸着性を発揮し得る、安価で信頼性、長期安定性に優れた静電チャックを提供できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の静電チャックの一例の概略断面図を示す図１をもとに説明する。図１の静電チャックの静電チャックによれば、室温における体積固有抵抗が１０¹⁴Ω・ｃｍ以上の絶縁体からなる絶縁基体１の表面に、所定の電圧が印加される電極層２が形成され、さらにその電極層２上にセラミック抵抗体からなる誘電体３（以下、誘電体層という。）が形成されている。
【００１９】
誘電体層３は、少なくともシリコンウエハ４を吸着するための静電吸着面５を形成し、場合によっては、半導体製造装置内に露出している絶縁基体１の全表面に形成されている。なお、絶縁基体１内には、適宜、発熱抵抗体６を内蔵させたり、さらには冷却媒体を接触させたり冷却媒体の流路（図示せず）を設けて静電チャックを所定温度に維持するための温度保持手段を設けてもよい。
【００２０】
本発明によれば、上記誘電体層３を、Ｂａ、ＳｒおよびＴｉを含有するペロブスカイト型結晶相を主体とするセラミックスからなり、セラミックス中におけるＳｒ／（Ｂａ＋Ｓｒ）原子比が０．３〜０．８、特に０．４５〜０．６５のセラミックスによって形成する。
【００２１】
ＢａＴｉＯ₃はペロブスカイト型結晶からなるものであるが、Ｓｒを含有せしめＢａサイトをＳｒによって置換することによりセラミックスの抵抗の温度依存性を小さくすることができる結果、幅広い温度領域で安定した吸着力が得られる。
【００２２】
Ｓｒ／（Ｂａ＋Ｓｒ）原子比を上記範囲に限定したのは、０．３よりもより少ないと体積固有抵抗の温度変化が大きくなり、広い温度範囲で目的の吸着力が得られず、０．８より多いと体積固有抵抗自体が大きくなって吸着力が得られなくなるためである。
【００２３】
本発明によれば、上記の構成によって少なくとも０〜１００℃、好ましくは−５０〜１５０℃の体積固有抵抗が１０⁷〜１０¹²Ω・ｃｍであることが必要である。この体積固有抵抗が１０⁷Ω・ｃｍよりも低いと流れる電流が大きすぎて吸着力が低下するとともに半導体素子を破壊してしまう。逆に１０¹²Ω・ｃｍより高いと応答性が悪くなり、電極層への電圧印加を停止してもウエハが離れず、スループットに影響を及ぼす。
【００２４】
また、本発明によれば、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃の電気特性を安定化するため、Ｃｅ，Ｙなどの周期律表第３ａ族元素やＡｌを酸化物換算で１０重量％以下、特に５重量％以下の割合で添加することもできる。なお、上記周期律表第３ａ族元素やＡｌ量が酸化物換算で１０重量％よりも多いと抵抗が大きくなり、０〜１００℃の温度領域での吸着特性が得られない。
【００２５】
上記のような誘電体層は、通常の粉末焼結法で製造することができる。例えば、ＢａＣＯ₃、ＳｒＣＯ₃およびＴｉＯ₂を所定の割合で秤量した粉末を水で混合してボールミルで２０時間混合後、乾燥し、１０００〜１２００℃で仮焼する。その後、仮焼粉末を振動ミルで７２時間粉砕して平均粒径が０．６〜０．８μｍの（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃粉末を得る。得られた粉体を所望の成形手段、例えば、金型プレス、冷間静水圧プレス、押出し成形等により任意の形状に成形したり、上記粉末を用いてスラリーを調製し、所定の基体の表面に塗布乾燥した後、大気などの酸化性雰囲気、あるいは窒素、窒素＋水素などの非酸化性雰囲気中で１３００〜１５００℃で常圧焼成することにより作製することができる。
【００２６】
また、緻密化を促進するために、周知のホットプレス法やガス圧焼結法また熱間静水圧焼成法を用いても構わない。例えば、ホットプレスでは２５０ｋｇ／ｃｍ²の圧力で１２５０〜１３５０℃の温度で焼結させることが出来る。
【００２７】
また、本発明による（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃の電気特性を安定化するため、該材料に対して酸化物換算で１０重量％以下の割合で、Ｃｅ，Ｙなどの周期律表第３ａ族元素を添加することができる。これらはＣｅＯ₂やＹ₂Ｏ₃として仮焼前の混合粉末に添加混合すればよい。
【００２８】
【実施例】
ＢａＣＯ₃、ＳｒＣＯ₃およびＴｉＯ₂を表１の割合で秤量後、これに水を混合してボールミルで２０時間混合、乾燥後、１１５０℃で３時間仮焼した。また、混合の際にＹ₂Ｏ₃、ＣｅＯ₂、Ｓｍ₂Ｏ₃、Ｌａ₂Ｏ₃、Ｅｒ₂Ｏ₃等の表１に記載の割合で添加した。
【００２９】
次に、仮焼原料を振動ミルで７２時間粉砕した。得られた粉体を６０ｍｍの円板にプレス成形し、１４００℃で焼成して相対密度９８％以上に緻密化した。なお、試料厚みは０．５ｍｍに統一した。
【００３０】
得られた試料に対して抵抗測定を行った。抵抗測定は試料を真空中１５０℃で１時間熱処理した後、乾燥した空気を導入し、さらに３００℃まで昇温した後に乾燥した空気雰囲気中で測定を行った。また、室温以下は液体窒素で冷却した乾燥した空気を流して試料を冷却して、−５０℃から１５０℃の温度範囲での体積固有抵抗と、０℃から１００℃の温度範囲での体積固有抵抗を測定し、その結果を表１に示した。
【００３１】
また、静電チャックとして、上記の誘電体材料の表面に銀ペーストを電極パターンに印刷塗布し焼き付け処理した。そして、この銀電極を形成した誘電体材料を、電極形成面をＡｌ₂Ｏ₃絶縁基板の表面に樹脂を用いて接着し、直径が６０ｍｍの円板状の静電チャックを作製した。なお、静電チャックの静電吸着面は、表面粗さ（Ｒｍａｘ）が０．４〜０．６μｍになるように表面研磨した。そして、作製した静電チャックに対して、電極層に対して５００Ｖの電圧を印加し、その時の静電吸着力を測定した。また、５００ｇ／ｃｍ²の吸着力が発生し得る電圧を印加し、電圧遮断後、５秒後の吸着力を測定してこれを残留吸着力として表１に示した。
【００３２】
【表１】

【００３３】
表１の結果から明らかなように、セラミックスの抵抗と吸着力は組成によって変化し、Ｓｒ／（Ｓｒ＋Ｂａ）比が０．３より小さい試料Ｎo.１では、抵抗変化が大きく、０．８よりも大きい試料Ｎo.５では、抵抗値が小さかった。
【００３４】
これに対して、Ｓｒ／（Ｓｒ＋Ｂａ）比が０．３〜０．８の試料のうち、周期律表第３ａ族元素あるいはＡｌ量が１０重量％よりも多い試料Ｎｏ．１３、１４を除き、いずれも０〜１００℃における体積抵抗が１０^７〜１０^１２Ω・ｃｍの範囲を示し、特にＳｒ／（Ｓｒ＋Ｂａ）比が０．４５〜０．６５であり、且つ周期律表第３ａ族元素あるいはＡｌ量が酸化物換算で５重量％以下の試料Ｎｏ．３、６〜１１、１５では、−５０℃から１５０℃の幅広い温度範囲において、１０^７〜１０^１２Ω・ｃｍの範囲の抵抗を示し、その結果、いずれも１３８ｇ／ｃｍ ^２以上の高い吸着特性と、低い残留吸着性を示した。
【００３５】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、静電チャックの材料として（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃系セラミックスを用いることによって、０〜１００℃において安定した抵抗特性を得ることができる結果、少なくとも０〜１００℃の温度範囲内において静電チャックとして優れた吸着特性を有し、残留吸着力がなく吸着力も大きい静電チャックを提供できる。したがって、静電チャックとして優れた信頼性と長期安定性が得られるとともに、静電チャックの製造コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の静電チャックの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１絶縁基体
２電極層
３誘電体層
４シリコンウエハ
５静電吸着面
６発熱抵抗体

Claims

静電吸着面が、Ｂａ、ＳｒおよびＴｉを含有するペロブスカイト型結晶相を主体とするＰＴＣセラミックスからなり、該ＰＴＣセラミックス中におけるＳｒ／（Ｂａ＋Ｓｒ）原子比が０．３〜０．８であり、且つ０〜１００℃の体積固有抵抗が１０^７〜１０^１２Ω・ｃｍであることを特徴とする静電チャック。
前記ＰＴＣセラミックスが、周期律表第３ａ族元素あるいはＡｌを酸化物換算で１０重量％以下の割合で含有することを特徴とする請求項１記載の静電チャック。
厚み０．５ｍｍの前記ＰＴＣセラミックスに５００Ｖの電圧を印加して１３８ｇ／ｃｍ ^２以上の吸着力が発生し得ることを特徴とする請求項１または２記載の静電チャック。